第6章傳熱機理與熱流速率方程

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傳熱機理與傳熱速率方程6.1引言6.2熱傳導(dǎo)6.3對流與對流換熱6.4熱輻射26.1引言傳熱學(xué)是研究熱量傳遞的普遍規(guī)律及其工程應(yīng)用的一門科學(xué)。

只要存在溫度差，熱量將自發(fā)地從高溫物體傳向低溫物體，這是典型的不可逆過程。由于溫度差在自然界、工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活中普遍存在，所以熱量傳遞無疑是世界上存在最普遍、發(fā)生最頻繁的物理現(xiàn)象。3我國的經(jīng)濟已經(jīng)連續(xù)20多年保持高速發(fā)展，總量已經(jīng)躋身世界前列。但是我們也為此付出了非常高昂的能源、資源和環(huán)境代價。在各工業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，如能源、冶金、化工、建筑、建材、交通，乃至機械、輕工等行業(yè)中，我國的單位產(chǎn)值能耗比發(fā)達(dá)國家高得多。為了經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，必須把節(jié)能和減排放在首要地位。4傳熱原理在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用舉例：正在吊裝的電站鍋爐的尾部換熱管束5

浙江華能玉環(huán)電廠我國自制的首臺超超臨界1000MW發(fā)電機組6煉鋼與軋鋼

焦?fàn)t出焦在冶金工業(yè)中7傳熱原理在高新技術(shù)領(lǐng)域中

的應(yīng)用舉例：8長征火箭矗立在發(fā)射臺架上神州號隔熱瓦細(xì)部9航天飛機腹部的隔熱瓦10紅外技術(shù)用于乳腺腫瘤的診斷11用鉆石加工出來的微尺度換熱銅板：厚125

m，整體尺寸為25mm×25mm電子設(shè)備冷卻用的小型熱管12三種基本傳熱方式——導(dǎo)熱、對流和輻射，有不同的傳遞機理和熱流速率方程。求解各種傳熱問題時，必須遵循這些機理和熱流方程。能量（熱量）守恒定律也不可或缺。一切傳熱問題都必須在這兩類基本規(guī)律的指導(dǎo)下求解。能量守恒定律是貫穿傳熱學(xué)始終的基本規(guī)律。13分析物體的傳熱現(xiàn)象時，必須注意區(qū)分所取的研究對象是一個控制容積還是一個控制表面，這兩者的能量守恒關(guān)系存在原則性的差別?？刂迫莘e的瞬時能量守恒原則是：進(jìn)入控制容積的熱流量－流出控制容積的熱流量＋控制容積中內(nèi)熱源的瞬時熱功率＝控制容積中儲熱量的增加速率

表面不具備蓄熱能力，針對控制表面的能量守恒關(guān)系中體積蓄熱項將不存在（面熱源項仍可以存在），即：如果沒有內(nèi)熱源的話，進(jìn)出熱流量將隨時保持相等。14注意掌握正確的學(xué)習(xí)方法和解題思路。注重對基本物理概念的理解，學(xué)會正確運用這些概念，而不能僅滿足于背誦概念的內(nèi)容。正確的解題步驟包括：細(xì)致地審題；判斷問題所屬的類型；應(yīng)該做出哪些合理的假設(shè)，以便使問題得到簡化，但又不歪曲問題的本質(zhì)；選用恰當(dāng)?shù)挠嬎愎角蠼?，并對相關(guān)問題進(jìn)行深入的分析討論。156.2熱傳導(dǎo)連續(xù)介質(zhì)假設(shè)只有在密實的固體中才發(fā)生純導(dǎo)熱，如果是多孔材料，那么傳熱過程中一般將同時伴隨有對流和輻射。發(fā)生熱傳導(dǎo)的兩個物體必須直接接觸。6.2.1傅里葉定律：導(dǎo)熱的熱流速率方程16導(dǎo)熱，也稱為熱傳導(dǎo)，是指具有較高能級的粒子向較低能級的粒子傳遞能量的過程，它是一種建立在物質(zhì)微觀粒子隨機運動基礎(chǔ)上的擴散行為。常用術(shù)語、概念

溫度場，溫度梯度，穩(wěn)態(tài)溫度場，非穩(wěn)態(tài)溫度場

或瞬態(tài)溫度場，一維溫度場，等溫面，等溫線

等。等溫線（面）的基本性質(zhì)。17物體內(nèi)任意點P溫度變化率最大的方向位于等溫線的法線方向上。稱該最大溫度變化率為溫度梯度，記做gradt

18通過大平壁的熱流量（傳熱速率）與兩側(cè)表面的溫度差和傳熱面積成正比，而與平壁的厚度成反比或者該式稱為傅里葉定律

。式中：q為導(dǎo)熱的熱流密度，表示通過單位導(dǎo)熱面積的導(dǎo)熱熱流量，W/m2；

是壁面的導(dǎo)熱系數(shù)，表明材料導(dǎo)熱能力的大小，W/(m

K)。式中負(fù)號僅用來表示熱量傳遞的方向永遠(yuǎn)和溫度梯度dt/dx

的正方向相反。傳熱面積A必須與傳熱方向垂直，或是傳熱方向上的投影面積。19BaronJeanBaptisteJosephFourier（1768—1830）

206.2.2導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴散率材料的熱物性分成兩大類：一類是熱力學(xué)性質(zhì)，指系統(tǒng)所處的平衡狀態(tài)參數(shù)，如密度、比熱容等；另一類是輸運性質(zhì)，像導(dǎo)熱系數(shù)以及動量擴散率等。在傳熱學(xué)中這兩類性質(zhì)均會用到，后者尤其顯得重要。21不同材料的導(dǎo)熱系數(shù)差別很大，而且物質(zhì)的純凈程度以及物理狀態(tài)的變化（密度、溫度、壓力、含濕量等）有所不同。保溫材料，或稱隔熱材料

受到特別關(guān)注。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，平均溫度在350℃以下時，導(dǎo)熱系數(shù)不超過0.12W/(m

K)的才稱為保溫材料。實際應(yīng)用中一般經(jīng)常選用導(dǎo)熱系數(shù)在0.07～0.03W/(m

K)。注意導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度是變化的，而且必須在允許的溫度范圍內(nèi)使用。航天工程與超低溫中的超級絕熱材料表觀導(dǎo)熱系數(shù)只有（0.1～0.5）×10

4W/(m

K)，且一般具有各向異性的特點。材料導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化可表示為以下的線性函數(shù)：λ=

0

（1+bt）

0

代表0℃時材料導(dǎo)熱系數(shù)的理論值，b表示導(dǎo)熱系數(shù)的溫度變化率。22熱擴散率，也稱為導(dǎo)溫系數(shù)。表示在加熱或冷卻過程中物體內(nèi)溫度趨于均勻一致的能力，單位是m2/s：在穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題中a

不會出現(xiàn)，但在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題中它非常重要。236.3

對流與對流換熱

熱對流指存在溫度差的條件下，伴隨流體的宏觀移動發(fā)生的因冷流體與熱流體互相摻混而導(dǎo)致的熱量遷移。工程上最感興趣的問題是發(fā)生在具有不同溫度的運動流體和與之相接觸的各類表面之間的熱量傳遞，稱為對流換熱。

對流換熱是導(dǎo)熱和熱對流兩種傳熱方式聯(lián)合作用的結(jié)果。強迫對流

自然對流

對流換熱的熱流速率方程是稱為牛頓冷卻公式.其中：A是對流換熱的表面積；h是對流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(以前稱為對流換熱系數(shù))，W/(m2

K)。246.4熱輻射熱輻射指物質(zhì)內(nèi)部因微觀粒子的熱運動而激發(fā)出來的電磁波（或光量子）能量。熱輻射的波長范圍一般在0.1～100

m。黑體的理想化模型黑體不僅具有最高發(fā)射能力，同時也具有最高的吸收能力，它吸收全部外來的投射輻射能量。實際物體表面發(fā)射熱輻射的能力均低于相同溫度的黑體。一般用發(fā)射率

（亦可稱為黑度）描述實際物體與黑